DE10214533B4 - Method and device for producing an optical polymer fiber - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Herstellen einer optischen Polymerfaser mit einem gradienten-
oder stufenförmigen
Indexprofil umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen einer
zentralen Polymerfaser (22) mit vorbestimmtem Brechungsindex und
vorbestimmtem Faserdurchmesser,
b) Vertikales Durchführen der
zentralen Polymerfaser (22) durch einen ersten Beschichtungsbehälter (50),
der mit einem zähflüssigen Kunststoff
vorbestimmten Brechungsindexes gefüllt ist, wodurch eine erste
Kunststoffschicht (23) vorbestimmter Dicke auf die zentrale Polymerfaser
(22) aufgebracht wird;
c) Vertikales Durchführen der beschichteten zentralen
Polymerfaser durch weitere Beschichtungsbehälter, die jeweils mit einem
zähflüssigen Kunststoff
vorbestimmten Brechungsindexes gefüllt sind, wodurch mehrere Kunststoffschichten
(24) mit jeweils vorbestimmter Dicke auf die beschichtete zentrale
Polymerfaser (22) aufgebracht werden, wobei der Brechungsindex von
der zentralen Polymerfaser (22) bis zur äußeren Kunststoffschicht kontinuierlich oder
stufenweise abnimmt.A method for producing an optical polymer fiber with a gradient or step-shaped index profile comprising the steps:
a) providing a central polymer fiber (22) with a predetermined refractive index and a predetermined fiber diameter,
b) vertically passing the central polymer fiber (22) through a first coating container (50) which is filled with a viscous plastic of predetermined refractive index, whereby a first plastic layer (23) of predetermined thickness is applied to the central polymer fiber (22);
c) Vertical passage of the coated central polymer fiber through further coating containers, each of which is filled with a viscous plastic predetermined refractive index, whereby a plurality of plastic layers (24) each with a predetermined thickness are applied to the coated central polymer fiber (22), the refractive index of the central Polymer fiber (22) decreases continuously or gradually up to the outer plastic layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Polymerfaser mit einem gradienten- oder stufenförmigen Indexprofil sowie eine Vorrichtung zum Herstellen einer optischen Polymerfaser.The The invention relates to a method for producing an optical Polymer fiber with a gradient or step-shaped index profile and a device for producing an optical polymer fiber.
Zum Transport von Lichtstrahlung werden in der Nachrichtentechnik, Materialbearbeitung und Medizin zunehmend optische Lichtleitfasern eingesetzt, deren Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge liegt.To the Transport of light radiation are used in telecommunications, material processing and medicine increasingly used optical fibers, the Thickness in the order of magnitude the wavelength lies.
Für die Übertragung von breitbandigen Signalströmen werden Einmodenfasern eingesetzt. Der Kerndurchmesser von Einmodenfasern beträgt ca. 10 Mikrometer, so dass sich nur eine Mode ausbreiten kann. Damit entfällt die Modendispersion.For the transfer of broadband signal streams single-mode fibers are used. The core diameter of single-mode fibers is approx. 10 microns, so that only one mode can spread. In order to deleted the fashion dispersion.
Bei der Herstellung von Einmodenquarzglasfasern werden Ziehtürme mit Höhen bis zu etwa 30 Meter eingesetzt. Die große Höhe ist erforderlich, weil diese Fasern aus der Spitze einer Vorform bei etwa 2000°C mit hoher Geschwindigkeit abgezogen werden, und die Fasern danach mit einer Kunststoffschicht ummantelt werden. Da die Quarzglasfaser vor dem Eintauchen in ein Kunststoffbad ausreichend abgekühlt sein muss, sind entsprechend lange Kühlstrecken erforderlich.at Drawing towers are also used in the production of single-mode quartz glass fibers Heights up to used to about 30 meters. The high altitude is required because of this Fibers from the tip of a preform at about 2000 ° C with high Subtracted speed, and then the fibers with a Plastic layer are encased. Because the quartz glass fiber before Immerse in a plastic bath to be sufficiently cooled must be correspondingly long cooling distances required.
Aus wirtschaftlichen Gründen muss bei der Produktion von Quarzglasfasern zudem mit hoher Ziehgeschwindigkeit gearbeitet werden.Out economical reasons also has to be pulled at high speed in the production of quartz glass fibers be worked.
Standard-Einmodenfasern haben einen Durchmesser von 125 μm. Nach dem Aufbringen der Mantelschicht beträgt der Durchmesser 250 μm. Durch die Wahl des Materials für die Vorform sind die optischen Eigenschaften der Quarzglasfaser festgelegt. An die Kunststoffschicht des Mantels werden keine optischen Anforderungen gestellt; sie muss lediglich mechanischen Schutz gewährleisten.Standard single-mode have a diameter of 125 μm. After the coating layer has been applied, the diameter is 250 μm. By the choice of material for the preform is the optical properties of the quartz glass fiber established. There are no optical ones on the plastic layer of the jacket Demands made; it only has to ensure mechanical protection.
Bei den Quarzglasfasern werden die optischen Eigenschaften der Faser allein durch die Wahl des Materials der Vorform festgelegt. Damit besteht keinerlei verfahrenstechnische Möglichkeit, die optischen Eigenschaften der Faser dem jeweiligen Bestimmungszweck anzupassen. Der erforderliche sehr geringe Durchmesser der Quarzglasfasern bedingt außerdem eine deutlich erschwerte Montage.at The quartz glass fibers become the optical properties of the fiber determined solely by the choice of the material of the preform. In order to there is no procedural possibility, the optical properties adapt the fiber to the intended purpose. The required very small diameter of the quartz glass fibers also causes a significantly more difficult assembly.
Lichtleitfasern aus Kunststoff, auch Plastikfasern bzw. POF (Plastic Optical Fibers) genannt, werden zunehmend für die Nachrichten- und Datenübertragung im Nahbereich (3 m bis 100 m) eingesetzt. Bisher sind vornehmlich Stufenindex-POF kommerziell erhältlich, da wirtschaftliche Herstellungsverfahren für Fasern mit alternativen Indexprofilen fehlen. Diese Stufenindex-POF haben im Kern einen konstanten Brechungsindex und einen Mantel mit geringerem Brechungsindex. Diese Fasern führen eine hohe Zahl von Moden mit unterschiedlichen Laufzeiten in der Faser und großer Dispersion. Deshalb ist die Übertragungsbandbreite relativ gering. Der obere Wert für eine Stufenindex-POF mit einem Millimeter Durchmesser liegt bei 100 Mb/s für 100 m Übertragungsstrecke.optical fibers made of plastic, also plastic fibers or POF (Plastic Optical Fibers) are increasingly being called for the transmission of messages and data used at close range (3 m to 100 m). So far, primarily Step index POF commercially available, because economical manufacturing process for fibers with alternative index profiles absence. These step index POFs have a constant refractive index at their core and a cladding with a lower refractive index. These fibers carry a high Number of modes with different terms in the fiber and greater Dispersion. That is why the transmission bandwidth relatively low. The upper value for a step index POF with a millimeter diameter is included 100 Mb / s for 100 m transmission path.
Wesentlich größere Übertragungsbandbreiten lassen sich mit Gradienten-POF erreichen. Die Gradientenfasern wurden aus der Anforderung, die Laufzeitunterschiede der Moden (Dispersion) zu verkleinern, entwickelt. Der Brechungsindex variiert bei diesem Fasertyp kontinuierlich zwischen dem Zentrum und dem Mantel. Durch ein solches Gradientenprofil können verschiedene Laufzeiten der einzelnen Moden teilweise ausgeglichen werden.Essential larger transmission bandwidths can be achieved with gradient POF. The gradient fibers were from the requirement, the runtime differences of the modes (dispersion) to shrink, developed. The refractive index varies with this Fiber type continuously between the center and the cladding. By such a gradient profile different terms of the individual modes partially compensated become.
Zum
Herstellen einer optischen Polymerfaser mit einem quasi-gradientenförmigen Indexprofil ist
beispielsweise aus dem japanischen Patent
Bei diesem Verfahren ergibt sich der Nachteil, dass durch das Umlenken der Faser die zunächst parallel zur Faserachse erfolgende Ausrichtung der Polymermoleküle aufgehoben wird, da während des Umlenkens an der Außenseite Zugspannungen und an der Innenseite Druckspannungen die Faser belasten. Durch das Aufheben dieser Ausrichtung entstehen Streuzentren für das in der Faser zu führende Licht, so dass eine zunehmende Dämpfung in Kauf genommen werden muß. Um die Faser überhaupt über die Umlenkungeinrichtungen führen zu können, ist es außerdem erforderlich, die im jeweils vorhergegangenen Schritt aufgebrachte Beschichtung vollständig auszuhärten. Auf diese Weise werden daher prinzipiell Stufenindexgradientenfasern hergestellt.at This method has the disadvantage that the deflection the fiber the first Alignment of the polymer molecules taking place parallel to the fiber axis is canceled will since while of turning on the outside Tensile stresses and compressive stresses on the inside strain the fiber. Removing this alignment creates scattering centers for the in to guide the fiber Light so that an increasing attenuation in Purchase must be made. To the fiber at all over the Guide devices to be able it is also required in the previous step Complete coating cure. In principle, step index gradient fibers are therefore produced in this way.
Aus den oben beschriebenen Umständen ergibt sich daher die Aufgabe der Erfindung, eine dämpfungsarme optische Polymerfaser zur Verfügung zu stellen, deren Gradientenindexprofil variabel gestaltet werden kann.Out the circumstances described above The object of the invention is therefore a low-damping device optical polymer fiber available to provide, whose gradient index profile are designed variably can.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist es, eine Anlage bereitzustellen, mit der eine zu beschichtende optische Polymerfaser vertikal derart durch untereinander angeordnete Beschichtungsbehälter geführt wird, dass eine optische Polymerfaser mit einem im wesentlichen gradientenförmigen Indexprofil hergestellt werden kann.A central idea of the invention is to provide a system with which an optical polymer fiber to be coated is vertically arranged through coating containers arranged one below the other leads to the fact that an optical polymer fiber can be produced with a substantially gradient-shaped index profile.
Beim Durchlaufen der Verfahrensschritte entsteht durch Aufbringen mehrerer koaxialer Beschichtungen, die aus Kunststoffen mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen, ein Brechungsindexprofil. Durch die vertikale Führung der Faser werden aufeinanderfolgende Beschichtungsvorgänge ermöglicht, zwischen denen es nicht erforderlich ist, die im jeweils vorangegangenen Schritt aufgebrachte Beschichtung auszuhärten. Ein durch die Beschichtung entstehendes Stufenindexprofil kann daher geglättet werden, indem die Moleküle in den noch flüssigen Beschichtungen diffundieren und damit Konzentrationsunterschiede zwischen den Molekülen der Kunststoffschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex n ausgleichen zu können. Auf diese Weise wird ein Gradientenprofil hergestellt, so dass die Gradientenkunststofffaser eine zehn- bis hundertfache Bandbreite übertragen kann als die entsprechenden Stufenindexfasern.At the The process steps are carried out by applying several coaxial coatings made of plastics with different Refractive index exist, a refractive index profile. Through the vertical guide successive coating processes are made possible for the fiber, between which it is not necessary, the previous one Step to harden applied coating. One through the coating emerging step index profile can therefore be smoothed by the molecules in the still fluid Coatings diffuse and thus differences in concentration between the molecules compensate for the plastic layers with different refractive index n to be able to. In this way, a gradient profile is produced so that the Gradient plastic fiber transmit a ten to hundred times the bandwidth can as the corresponding step index fibers.
Da durch die vertikale Führung der Faser während des Herstellens kein Umlenken der Faser erfolgt, bleibt die zur Faserachse parallele Orientierung der Moleküle in der Beschichtung erhalten, und es entstehen dämpfungsarme Kunststoffasern.There through the vertical guidance the fiber during the manufacturing process does not deflect the fiber, which remains to Maintain the fiber axis parallel orientation of the molecules in the coating, and low-damping arises Plastic fibers.
Zudem bietet das Verfahren die Möglichkeit, Polymerfasern mit großen Kerndurchmessern, zum Beispiel im Bereich von 1 mm, herzustellen. Durch den großen Kerndurchmesser vereinfacht sich die Montage, d.h. die Ankopplung an aktive optische Elemente ebenso wie die Verbindung der Fasern untereinander. Damit verringern sich die Kosten für die notwendigen Komponenten und vor allem die Installationskosten.moreover the process offers the possibility of polymer fibers with big Core diameters, for example in the range of 1 mm. By the big one The core diameter simplifies assembly, i.e. the coupling active optical elements as well as the connection of the fibers among themselves. This reduces the costs for the necessary Components and especially the installation costs.
Gelöst wird die oben bereits erwähnte Aufgabe der Erfindung durch das Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den zugeordneten Unteransprüchen.Is solved the one already mentioned above Object of the invention by the method with the steps of Claim 1. Advantageous further developments can be found in the assigned Dependent claims.
Eine solche optische Polymerfaser mit einem gradienten- oder stufenförmigen Indexprofil wird dadurch hergestellt, dass zunächst eine zentrale Polymerfaser mit einem vorbestimmten Brechungsindex und einem vorbestimmten Faserdurchmesser bereitgestellt wird.A such optical polymer fiber with a gradient or step-shaped index profile is manufactured by first using a central polymer fiber with a predetermined refractive index and a predetermined fiber diameter provided.
Diese zentrale Polymerfaser wird anschließend vertikal durch einen ersten Beschichtungsbehälter geführt. Der Beschichtungsbehälter ist mit einem zähflüssigen Kunststoff gefüllt; der Kunststoff hat einen vorbestimmten Brechungsindex. Durch diesen ersten Beschichtungsvorgang wird die zentrale Faser mit einer ersten Kunststoffschicht mit vorbestimmter Dicke beschichtet. Die beschichtete zentrale Polymerfaser wird anschließend vertikal durch weitere Beschichtungsbehälter geführt. Diese Beschichtungsbehälter sind jeweils wiederum mit zähflüssigem Kunststoff vorbestimmten Brechungsindexes gefüllt. Auf diese Weise können mehrere Kunststoffschichten mit jeweils vorbestimmter Dicke auf die beschichtete zentrale Polymerfaser aufgebracht werden. Dabei nimmt der Brechungsindex von der zentralen Polymerfaser hin zur äußeren Kunststoffschicht kontinuierlich oder stufenförmig ab.This central polymer fiber is then vertical through a first coating tank guided. The coating tank is with a viscous plastic filled; the plastic has a predetermined refractive index. Through this the first coating process is the central fiber with a first Plastic layer coated with a predetermined thickness. The coated central polymer fiber is then replaced vertically by others coating tank guided. This coating container are each again with viscous plastic predetermined refractive index filled. This way, several Plastic layers each with a predetermined thickness on the coated central polymer fiber can be applied. The refractive index increases continuously from the central polymer fiber to the outer plastic layer or step-like from.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei den großen Vorteil, dass die Faser, die vertikal durch die verschiedenen Komponenten des Verfahrens geführt wird, dabei in dem flüssigen Kunststoff in den Beschichtungsbehältern sozusagen schwimmt, d.h. es erfolgt kein Kontakt der Faser mit festen Oberflächen. Hingegen wird im Stand der Technik die Faser horizontal über Rollen geführt, so dass, wie oben bereits angesprochen, Streuzentren aufgrund der Zug- und Druckbeanspruchungen auf der Außen- und Innenseite einer beim Umlenken gekrümmten Faser und der daraus folgenden Umorientierung der Kunststoffmoleküle entstehen und dadurch eine hohe Dämpfung entsteht. Die Faser ist, da sie durch den flüssigen hochviskosen Kunststoff geführt wird, gleichzeitig automatisch zentriert, das bedeutet, das erfindungsgemäße Verfahren ist wenig anfällig gegen Gebäudeschwingungen, da diese durch den flüssigen Kunststoff im Hinblick auf die Führung der Faser gedämpft werden.The inventive method offers the big one Advantage that the fiber is vertical through the different components of the procedure will, in the liquid Plastic in the coating containers so to speak floats, i.e. there is no contact of the fiber with solid surfaces. On the other hand the fiber is guided horizontally over rollers in the prior art, so that, as already mentioned above, scattering centers due to the and pressure loads on the outside and inside of a Deflect curved fiber and the resulting reorientation of the plastic molecules and therefore high damping arises. The fiber is because of the liquid highly viscous plastic guided is automatically centered at the same time, which means the method according to the invention is not very sensitive against building vibrations, since this is due to the liquid Plastic in terms of leadership the fiber steamed become.
Die wie oben beschrieben hergestellte beschichtete optische Polymerfaser kann dann zum Abschluss des Herstellungsverfahrens mit einer Mantelschicht versehen werden. Das Aufbringen der Mantelschicht erfolgt in analoger Weise wie das oben beschriebene Beschichten. Die mit der Mantelschicht versehene beschichtete Polymerfaser wird anschließend aufgewickelt.The Coated polymer optical fiber made as described above can then complete the manufacturing process with a cladding layer be provided. The coating layer is applied in an analogous manner Way like the coating described above. The one with the cladding layer coated polymer fiber is then wound up.
Die Erfindung sieht vor, herkömmliche Materialien zur Herstellung der Polymerfasern zu verwenden. Dazu zählen wasserstoffhaltige Verbindungen sowie Verbindungen mit teilweiser Wasserstoffsubstitution. Zur Variation des Brechungsindexes werden dotierte oder copolymerisierte Polymere eingesetzt. Typische wasserstoffhaltige Verbindungen bauen auf folgenden Polymeren auf: Methylmethacrylat (MMA), Vinyl-Phenylazetat (VPAc), Vinyl Benzoat (VB), Phenyl-Methacrylat (PhMA), Benzyl Methacrylat (BzMA). Als Polymere für Fasern mit höherer Temperaturfestigkeit werden z.B. Polycarbonat (PC), Silikon oder Polystyrol (PS) eingesetzt. Zur Substitution des Wasserstoffs wird insbesondere Fluor verwendet. Werkstoffe, die insbesondere auch als Material für die Mantelschicht in Frage kommen, sind beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamit (PA), Polyuretan (PUR), Perfluorethylen (FDP) sowie Polytetrafluorethylen (PTFE (Teflon)).The invention provides for conventional materials to be used to produce the polymer fibers. These include hydrogen-containing compounds and compounds with partial hydrogen substitution. Doped or copolymerized polymers are used to vary the refractive index. Typical hydrogen-containing compounds are based on the following polymers: methyl methacrylate (MMA), vinyl phenyl acetate (VPAc), vinyl benzoate (VB), phenyl methacrylate (PhMA), benzyl methacrylate (BzMA). For example, polycarbonate (PC), silicone or polystyrene (PS) are used as polymers for fibers with higher temperature resistance. Fluorine in particular is used to substitute the hydrogen. Materials that are also particularly suitable as a material for the outer layer are, for example, polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamite (PA), polyurethane (PUR), perfluoroethylene (FDP) and polytetrafluoroethylene (PTFE) (Teflon)).
Die bei den Beschichtungsvorgängen aufgebrachten Kunststoffschichten können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest teilweise ausgehärtet werden, bevor eine weitere Kunststoffschicht darüber aufgebracht wird. Werden die Kunststoffschichten vollständig ausgehärtet, entsteht eine Stufenindexprofilfaser. Dieser Stufenindexverlauf entspricht dann einem im wesentlichen gradientenförmigen Brechungsindexverlauf, wenn die Faser eine Vielzahl von Beschichtungen, zum Beispiel 30 Beschichtungen, mit einer entsprechend dünnen Schichtdicke umfaßt. Gleichzeitig kann allein durch Wahl der Parameter in den Aushärteeinrichtungen eine Gradientenprofilfaser realisiert werden, indem das Aushärten lediglich teilweise erfolgt und/oder indem auf das Aushärten verzichtet wird. In diesem Fall wird auf eine flüssige Beschichtung die nächste Beschichtung ebenfalls in flüssigem Zustand aufgebracht. Dadurch, dass beide Kunststoffschichten flüssig sind, wird eine Diffusion der Kunststoffe mit unterschiedlichem Brechungsindex ermöglicht. Auf diese Weise wird das zunächst hergestellte Stufenindexprofil geglättet.The during the coating processes applied plastic layers can by the inventive method at least partially cured before another plastic layer is applied over it. Become the plastic layers completely hardened, a step index profile fiber is created. This step index course corresponds then an essentially gradient-shaped refractive index curve, if the fiber has a variety of coatings, for example 30 coatings, with a correspondingly thin layer thickness includes. At the same time, just by choosing the parameters in the curing devices Gradient profile fiber can be realized by curing only partially takes place and / or by dispensing with curing. In this Case becomes a liquid Coating the next Coating also in liquid Condition upset. Because both plastic layers are liquid, diffusion of plastics with different refractive index allows. In this way it will initially manufactured step index profile smoothed.
Die Erfindung sieht damit eine besonders einfache Möglichkeit vor, allein durch Wahl der verfahrenstechnischen Parameter Stufenindexprofil- oder Gradientenindexprofilfasern herzustellen, ohne am Verfahren selbst Änderungen vornehmen zu müssen.The The invention thus provides a particularly simple possibility, solely by Choice of procedural parameters step index profile or Produce gradient index profile fibers without changing the process itself to have to make.
Gemäß der Erfindung bietet das Verfahren die Möglichkeit, die Polymerfaser vertikal von oben nach unten oder von unten nach oben durch die Beschichtungsbehälter zu führen. Bei der Führung von unten nach oben wirkt die Schwerkraft in der flüssigen Beschichtung, die sich auf der Faser befindet, entgegen der Zugrichtung. Dadurch wird die Beschichtung auf Scherung beansprucht, das bedeutet, der Film der Beschichtung, der auf die Faser aufgebracht wird, kann relativ dünn gestaltet werden, indem der Betriebsparameter der Zuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von der primären Schichtdicke am Austritt des Beschichtungsbehälters und der Viskosität des flüssigen Beschichtungskunststoffes eingestellt wird. Bei vorgegebenen Stoff- und Apparateparametern kann damit mit einem einzigen Betriebsparameter die Dicke der Faser bzw. ihre einzelnen Beschichtungen sehr einfach eingestellt werden.According to the invention the method offers the possibility the polymer fiber vertically from top to bottom or from bottom to bottom above through the coating tanks respectively. With the leadership gravity acts from the bottom up in the liquid coating, which is on the fiber, against the direction of pull. Thereby the coating is subjected to shear, that is, the Film of the coating that can be applied to the fiber relatively thin be designed by the operating parameters of the train speed in dependence from the primary Layer thickness at the outlet of the coating container and the viscosity of the liquid coating plastic is set. With given fabric and equipment parameters can use a single operating parameter to measure the thickness of the fiber or their individual coatings can be set very easily.
Zur Steuerung der einzelnen Beschichtungsvorgänge sieht das erfindungsgemäße Verfahren das Messen und Nachregeln der Durchmesser der beschichteten Polymerfaser sowie auch des zentralen Durchmessers der Polymerfaser direkt nach der Bereitstellungseinrichtung vor. So kann kontinuierlich während des Verfahrens die Qualität der optischen Eigenschaften der Faser überprüft und nachgeregelt werden.to The method according to the invention sees control of the individual coating processes measuring and adjusting the diameter of the coated polymer fiber as well as the central diameter of the polymer fiber directly after the provisioning facility. So can continuously during the Procedure the quality the optical properties of the fiber are checked and readjusted.
Neben der exakten Fertigung der Dicke der hergestellten Kunststofffaser ist für die optische Qualität der Faser außerdem die Homogenität der Kunststoffschichten von entscheidender Bedeutung. Durch den Kontakt und den Austausch mit der Umgebung der Faser besteht bei herkömmlichen Fertigungsmethoden die Gefahr, dass Verunreinigungen und Gaseinschlüsse in die Beschichtungen und damit in die Faser gelangen. Dies führt zu erhöhter Dämpfung der Faser, was unerwünscht ist. Durch die ausschließliche Führung der Faser durch flüssigen Kunststoff wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von vornherein ausgeschlossen, dass Verunreinigungen aus der Umgebung in die Faser eindringen. Ebenso bilden gelöste Gase aus der Umgebung keine Gefahr für die Dämpfungseigenschaften der Faser, da die Gase durch den fertigen Kunststoff, vor allem jedoch im flüssigen Zustand, noch entweichen können, so dass keine Blasenbildung einsetzen kann.Next the exact manufacture of the thickness of the plastic fiber produced is for the optical quality the fiber as well the homogeneity of the plastic layers crucial. By the Contact and exchange with the environment of the fiber exists at usual Manufacturing methods the risk of contamination and gas inclusions in the Coatings and thus get into the fiber. This leads to increased attenuation of the fiber, which is undesirable is. By the exclusive guide the fiber by liquid Plastic is a priori in the method according to the invention excluded that contaminants from the environment into the fiber penetration. Likewise form dissolved Gases from the environment pose no danger to the damping properties of the fiber, since the gases through the finished plastic, but especially in the liquid state, can still escape so that no blistering can start.
Insbesondere beim Betrieb des Verfahrens mit hohen Ziehgeschwindigkeiten könnte die Gefahr bestehen, dass Gaseinschlüsse in die Kunststoffbeschichtungen gelangen. In diesem Fall sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache Lösung vor, indem eine Schutzgasatmosphäre verwendet wird. Beispielsweise kann diese Schutzgasatmosphäre aus Helium bestehen, dessen extrem kleine Atome auch durch den ausgehärteten Kunststoff jederzeit ungehindert entweichen können.In particular when operating the process at high drawing speeds, the There is a risk of gas inclusions get into the plastic coatings. In this case it sees inventive method a simple solution by creating a protective gas atmosphere is used. For example, this protective gas atmosphere made of helium exist, its extremely small atoms also through the hardened plastic can escape freely at any time.
Weitere vorteilhafte Möglichkeiten zur Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die jeweils bei der technischen Umsetzung gegebenen Anforderungen werden dadurch auf einfache Weise zur Verfügung gestellt, dass das Bereitstellen der zentralen Polymerfaser entweder aus einer Kunststoffvorform oder aus zähflüssigem Kunststoff erfolgen kann.Further advantageous opportunities to adapt the method according to the invention to the requirements of the technical implementation are made available in a simple manner by providing the central polymer fiber either from a plastic preform or from viscous plastic can be done.
Damit besteht zum einen die Möglichkeit zum Durchführen eines diskontinuierlichen Verfahrens, in dem eine abgeschlossene Kunststoffvorform oder eine vorbestimmte Menge flüssigen Kunststoffes bereitgestellt wird. Soll das Verfahren dagegen kontinuierlich durchgeführt werden, eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Möglichkeiten: so kann zum einen die Kunststoffvorform über eine Nachführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter verbunden werden, so dass für die Bereitstellung der zentralen Faser die Kunststoffvorform ständig kontinuierlich, beispielsweise unter Verwendung eines Extruders, nachgeliefert werden kann. Wird die zentrale Faser alternativ dazu kontinuierlich aus einer Kunststoffschmelze gezogen, sieht die erfindungsgemäße Durchführung des Verfahrens vor, eine Nachführeinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der zum anderen die Kunststoffschmelze aus einem Vorratsbehälter ebenfalls fortlaufend nachgeliefert wird. In beiden Fällen wird die Nachführeinrichtung mit einem Vorratsbehälter gekoppelt, in dem beispielsweise Kunststoffgranulat vorgelegt wird.Thus, on the one hand, there is the possibility of carrying out a discontinuous process in which a closed plastic preform or a predetermined amount of liquid plastic is provided. If, on the other hand, the method is to be carried out continuously, the method according to the invention opens up several possibilities: on the one hand, the plastic preform can be connected to a storage container via a tracking device, so that the plastic preform is supplied continuously continuously, for example using an extruder, in order to provide the central fiber can be. Alternatively, if the central fiber is continuously drawn from a plastic melt, the implementation of the method according to the invention provides for a tracking device to be provided with which the plastic melt can be obtained from a storage container ter is also continuously supplied. In both cases, the tracking device is coupled to a storage container in which, for example, plastic granulate is placed.
Außerdem sieht die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 vor, mit der das Verfahren zum Herstellen der optischen Polymerfaser realisiert werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den zugeordneten Unteransprüchen.Also sees the invention provides a device according to claim 10, with the the process for producing the optical polymer fiber can be realized can. Advantageous further developments can be found in the assigned Dependent claims.
Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Bereitstellen der zentralen Polymerfaser sowie eine Einrichtung zum vertikalen Durchführen dieser Faser durch mehrere untereinander angeordnete Beschichtungsbehälter. Zwischen den Beschichtungsbehältern kann sich jeweils eine Aushärteeinrichtung befinden. Der Bereitstellungseinrichtung bzw. den Beschichtungsbehältern ist dabei jeweils zumindest eine Einrichtung zum Messen und Einstellen des Durchmessers der zentralen und/oder wenigstens einer beschichteten Polymerfaser sowie zum Messen und Regeln der Temperatur innerhalb der Bereitstellungseinrichtung zugeordnet. Die Beschichtungsbehälter selbst können oberhalb oder unterhalb der Bereitstellungseinrichtungen angeordnet sein. Demjenigen Beschichtungsbehälter, der mit Bezug auf die Laufrichtung der zentralen Polymerfaser als Letzter durchlaufen wird, folgt eine Aushärteeinrichtung und eine Aufwickeleinrichtung.The Device comprises a device for providing the central Polymer fiber and a device for vertical passage of this fiber through several coating containers arranged one below the other. Between the coating containers there may be a curing device in each case. The provision device or the coating containers in each case at least one device for measuring and setting the diameter of the central and / or at least one coated Polymer fiber as well as for measuring and regulating the temperature inside assigned to the provisioning device. The coating tanks themselves can arranged above or below the provision facilities his. That coating container that is related to the direction of rotation the central polymer fiber is run through last, one follows curing device and a winder.
Bereits durch diese einfache Anordnung weniger Komponenten wird durch die Lösung der Erfindung eine Möglichkeit geschaffen, kontinuierlich oder diskontinuierlich eine optische Polymerfaser herzustellen, die dämpfungsarm und aufgrund ihrer Dicke einfach zu montieren ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens verzichtet dabei überraschenderweise auf Umlenkeinrichtungen und laterale Führungseinrichtungen an der Faser.Already due to this simple arrangement of fewer components, the solution the invention a possibility created, continuously or discontinuously an optical Manufacture polymer fiber with low loss and is easy to assemble due to its thickness. The device according to the invention to perform this method surprisingly dispenses with deflection devices and lateral guide devices on the fiber.
Darüber hinaus sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, die Beschichtungsbehälter wenigstens teilweise ineinander anzuordnen, wobei mit Ausnahme des äußeren Beschichtungsbehälters der Faseraustritt aus einem Beschichtungsbehälter innerhalb des nachfolgend angeordneten Beschichtungsbehälters liegt. Dadurch liegt der gesamte Beschichtungsweg innerhalb des äußeren Beschichtungsgefäßes.Furthermore sees the device according to the invention before, the coating tank to be arranged at least partially one inside the other, with the exception of the outer coating container Fiber emerges from a coating container within the following arranged coating container lies. As a result, the entire coating path lies within the outer coating vessel.
Das bedeutet, dass die Faser im Gegensatz zu den alternativen Ausführungsformen keine Wege außerhalb eines Behälters zu durchlaufen hat. Damit wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Möglichkeit zur vorteilhaften Reduzierung der Bauhöhe geschaffen, die außerdem die optischen Eigenschaften der Faser in positiver Weise beeinflusst: Da die Beschichtungen ohne jedes Aushärten mit der nächst folgenden Schicht verbunden werden, erfolgt eine größtmögliche Diffusion der Moleküle in den unterschiedlichen Schichten ineinander, so dass das Gradientenindexprofil optimal geglättet wird. Diese Glättung durch Diffusion der Moleküle in den unterschiedlichen Schichten ineinander kann ferner dadurch gezielt gesteuert werden, dass die Beschichtungsbehälter unterschiedlich so temperiert werden, dass durch die Wahl der für die jeweils vorliegenden Materialien optimale Diffusionskoeffizienten im Hinblick auf das zu erzeugende Brechungsindexprofil eingestellt werden können.The means the fiber unlike the alternative embodiments no ways outside a container has to go through. With the device according to the invention a possibility created to advantageously reduce the height, which also the optical properties of the fiber positively influenced: Since the coatings with the next following without any curing When the layer is connected, the molecules are diffused as much as possible different layers into each other so that the gradient index profile optimally smoothed becomes. This smoothing by diffusion of the molecules in the different layers one inside the other can thereby can be controlled specifically that the coating container is different to be tempered in such a way that by the choice of materials for the respective materials optimal diffusion coefficients with regard to what is to be generated Refractive index profile can be set.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dieselben Bauteile werden auf allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.The The invention is described below with reference to an exemplary embodiment on the attached Described drawings. The same components appear on all drawings marked with the same reference numerals.
Es zeigen:It demonstrate:
An
die Meßeinrichtung
Nach
dem Beschichten der zentralen Faser
Zum
Anfahren des Prozesses zum Herstellen der optischen Polymerfaser
kann die zentrale Faser durch die Beschichtungsbehälter
Um
die Beschichtungen auf die zentrale Faser
Am
Boden eines jeden Beschichtungsbehälters ist jeweils eine Austrittsdüse
Während die
zentrale Faser
Die Filmdicke wird dabei vom Durchmesser di der Austrittsdüse sowie von der Viskosität η des flüssigen Kunststoffes und der Ziehgeschwindigkeit bestimmt. Die Viskosität η ist eine Funktion der Temperatur des flüssigen Kunststoffes.The film thickness is determined by the diameter d i of the outlet nozzle and by the viscosity η of the liquid plastic and the drawing speed. The viscosity η is a function of the temperature of the liquid plastic.
Die
beschichtete zentrale Faser
Entsprechend
dem oben beschriebenen Vorgang wird die nun doppelt beschichtete
zentrale Faser
Erwähnenswert ist, dass den Beschichtungsbehältern keine Aushärteeinrichtungen nachgeschaltet sein müssen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Beschichtungen der Faser nicht vollständig aushärten, und somit ein geglätteter Gradientenindexverlauf bei der Faser erzielt wird. Das Glätten des Brechungsindexverlaufes kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich dadurch gezielt beeinflußt werden, dass die Beschichtungsbehälter jeweils über die Meß- und Regeleinrichtungen so temperiert werden, dass aufgrund der Vorgabe der Temperatur ein für die jeweils vorliegenden Kunststoffe optimaler Diffusionskoeffizient eingestellt wird. Auf diese Weise kann das Ausmaß der Diffusion der Moleküle in den Kunststoffschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex und damit der Brechungsindexverlauf in den einzelnen Schichten gesteuert werden.It is worth mentioning that no curing devices have to be connected downstream of the coating containers. In this way it is achieved that the coatings of the fiber do not harden completely, and thus a smoothed gradient index curve is achieved in the fiber. The smoothing of the refractive index curve can additionally be influenced in a targeted manner by the method according to the invention in that the coating containers are each temperature-controlled via the measuring and control devices in such a way that an optimal diffusion coefficient is set for the plastics in question on the basis of the temperature. In this way, the extent of the diffusion of the molecules in the plastic layers with different refractive index and thus the refractive index curve in the individual layers can be controlled the.
Alternativ
zur oben beschriebenen Ausführungsform
kann der Aufbau der Gradientenindexfaser aus mehreren Schichten
auch in ineinander integrierten Beschichtungsbehältern erfolgen. Diese alternative
Ausführungsform
ist in
In
In
Im
Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen
ist zu beachten, dass sämtliche
Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.
Dies gilt insbesondere für
die Abmessungen der Beschichtungseinrichtungen
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